(57)【要約】  デバイスの軸方向に沿った内部貫通孔；金属からなる複数の第１カップ状部材；熱電変換材料からなる複数の第２カップ状部材；第１電極；および第２電極を具備するパイプ形状の熱発電デバイス。第１，第２部材は、前記軸方向に沿って交互に繰り返し配置される。第１，第２電極は、それぞれデバイスの一端および他端に設けられる。第１部材は第１内面および第１外面を具備し、下端に第１貫通孔を具備し、その断面積はその下端の方向に減少している。第２部材は第２内面および第２外面を具備し、下端に第２貫通孔を具備し、その断面積はその下端の方向に減少している。内部貫通孔は、複数の第１，第２貫通孔から構成される。第１部材の第１外面が、隣接する一方の第２部材の第２内面に密着するように、第１部材は当該第２部材に挿入されている。第１部材の第１内面が、隣接する他方の第２部材の第２外面に密着するように、当該第２部材は第１部材に挿入されている。
2012014366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ形状の熱発電デバイスであって、以下を具備する：
前記パイプ形状の熱発電デバイスの軸方向に沿った内部貫通孔；
金属からなる複数の第１カップ状部材；
熱電変換材料からなる複数の第２カップ状部材；
第１電極；および
第２電極、
ここで、
前記複数の第１カップ状部材および前記複数の第２カップ状部材は、前記軸方向に沿って交互に繰り返し配置されており、
前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記パイプ形状の熱発電デバイスの一端および他端に設けられており、
各第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
各第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
各第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
各第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
各第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成されており、
各第１カップ状部材の第１外面が、隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に密着するように、各第１カップ状部材は前記隣接する一方の第２カップ状部材に挿入されており、そして
各第１カップ状部材の第１内面が、隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入されている。
【請求項２】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記金属は、ニッケル、コバルト、銅、アルミ、銀、金、またはこれらの合金である。
【請求項３】
請求項２の熱発電デバイスであって、
前記金属は、ニッケル、コバルト、銅、またはアルミである。
【請求項４】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記熱電変換材料は、Ｂｉ、Ｂｉ２Ｔｅ３、またはＰｂＴｅである。
【請求項５】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記熱電変換材料は、ＳｂまたはＳｅを含有する、Ｂｉ２Ｔｅ３である。
【請求項６】
請求項１の熱発電デバイスであって、
各第１カップ状部材の第１外面は、前記隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に接しており、そして
各第１カップ状部材の第１内面は、前記隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に接している。
【請求項７】
請求項１の熱発電デバイスであって、
各第１カップ状部材の第１外面および前記隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面の間にハンダが供給されており、そして
各第１カップ状部材の第１内面および前記隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面の間にハンダが供給されている。
【請求項８】
請求項１の熱発電デバイスであって、以下の数式が充足される：
５度≦θ１≦４５度
５度≦θ２≦４５度、および
θ１＝θ２
ここで、
θ１は、前記第１カップ状部材の断面積が減少している部分および前記第１カップ状部材の軸方向によって形成される角度を表し、そして
θ２は、前記第２カップ状部材の断面積が減少している部分および前記第２カップ状部材の軸方向によって形成される角度を表す。
【請求項９】
請求項１の熱発電デバイスであって、さらに管状のジャケットを具備し、
前記パイプ形状の熱発電デバイスは、前記管状のジャケットの内部に挿入される。
【請求項１０】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記内部貫通孔の周囲には絶縁性の内壁が配置されている。
【請求項１１】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記パイプ形状の熱発電デバイスの周囲には絶縁性の外壁が配置されている。
【請求項１２】
複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスを具備する熱発電体であって、ここで
ｎは２以上の自然数であり、
各パイプ形状の熱発電デバイスは、請求項１の熱発電デバイスであって、
第１のパイプ形状の熱発電デバイスの断面積が最も小さく、
ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの断面積が最も大きく、そして
（ｎ−１）番目のパイプ形状の熱発電デバイスの外面は、絶縁層を介して、ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの内面に密着されている。
【請求項１３】
請求項１２の熱発電体であって、ここで
各第１電極は互いに電気的に接続され、
各第２電極は互いに電気的に接続され、そして
前記複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスが電気的に並列に接続されている。
【請求項１４】
請求項１２の熱発電体であって、
（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、（２ｍ−５）番目、・・・および１番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極は、（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ―４）番目、・・・および２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極に電気的にそれぞれ接続されており、
ｎは３以上の奇数であり、
ｍの値は式：ｍ＝（ｎ−１）／２により定義され、
（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・および２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極が、（２ｍ＋１）番目、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、・・・、および３番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極に電気的にそれぞれ接続されており、そして
前記複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスが電気的に直列に接続されている。
【請求項１５】
請求項１２の熱発電体であって、
（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、（２ｍ−５）番目、・・・１番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極は、（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極に電気的にそれぞれ接続されており、
ここで、ｎは偶数であり、
ｍの値は式：ｍ＝ｎ／２により定義され、
ｎが４以上である場合、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極が、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、・・・３番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極に電気的に接続されており、そして
前記複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスが電気的に直列に接続されている。
【請求項１６】
請求項１の熱発電デバイスであって、
軸方向に沿って溝が形成されている。
【請求項１７】
パイプ形状の熱発電デバイスを用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１に記載のパイプ形状の熱発電デバイスを用意する工程（ａ）；および
前記内部貫通孔およびパイプ形状の熱発電デバイスの外面の間に温度差を印加して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項１８】
熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１３に記載の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項１９】
熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１４に記載の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第１電極および前記ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項２０】
熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１５に記載の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第１電極および前記ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項２１】
パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法であって、以下の工程を具備する：
複数の第１カップ状部材および複数の第２カップ状部材を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔を具備するパイプを形成する工程（ａ）、
ここで、
各第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
各第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
各第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
各第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
各第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第１カップ状部材の第１外面が隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に密着するように、各第１カップ状部材は前記隣接する一方の第２カップ状部材に挿入され、
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入され、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成され；そして
前記パイプの一端および他端にそれぞれ第１電極および第２電極を設け、パイプ形状の熱発電デバイスを形成する工程（ｂ）。
【請求項２２】
請求項２１の方法であって、
工程（ａ）において、
各第１カップ状部材の第１外面が隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に接し、かつ
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に接する。
【請求項２３】
請求項２１の方法であって、
工程（ａ）において、
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に向かい合い、かつ
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に向かい合い、
前記方法は、さらに、以下を具備する：
各第１カップ状部材の第１外面および隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面の間にハンダを供給する工程（ｃ）、および
各第１カップ状部材の第１内面および隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面の間にハンダを供給する工程（ｄ）。
【請求項２４】
請求項２３の方法であって、
工程（ｃ）および工程（ｄ）は同時に行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイプ形状の熱発電デバイスとその製造方法に関する。本発明は、また、パイプ形状の熱発電デバイスを具備する熱発電体、熱発電デバイスを用いて電気を発生させる方法、および熱発電体を用いて電気を発生させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、パイプ形状の熱発電デバイスを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０８６４０２号公報（ファミリーなし）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、新規なパイプ形状の熱発電デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のパイプ形状の熱発電デバイスは、パイプ形状の熱発電デバイスであって、以下を具備する：
前記パイプ形状の熱発電デバイスの軸方向に沿った内部貫通孔；
金属からなる複数の第１カップ状部材；
熱電変換材料からなる複数の第２カップ状部材；
第１電極；および
第２電極、
ここで、
前記複数の第１カップ状部材および前記複数の第２カップ状部材は、前記軸方向に沿って交互に繰り返し配置されており、
前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記パイプ形状の熱発電デバイスの一端および他端に設けられており、
各第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
各第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
各第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
各第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
各第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成されており、
各第１カップ状部材の第１外面が、隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に密着するように、各第１カップ状部材は前記隣接する一方の第２カップ状部材に挿入されており、そして
各第１カップ状部材の第１内面が、隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入されている。
本発明の熱発電体は、複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスを具備する熱発電体であって、ここで
ｎは２以上の自然数であり、
各パイプ形状の熱発電デバイスは、本発明の熱発電デバイスであって、
第１のパイプ形状の熱発電デバイスの断面積が最も小さく、
ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの断面積が最も大きく、そして
（ｎ−１）番目のパイプ形状の熱発電デバイスの外面は、絶縁層を介して、ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの内面に密着されている。
本発明の電気を発生させる方法は、パイプ形状の熱発電デバイスを用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
本発明のパイプ形状の熱発電デバイスを用意する工程（ａ）；および
前記内部貫通孔およびパイプ形状の熱発電デバイスの外面の間に温度差を印加して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
別の側面から見た本発明の電気を発生させる方法は、熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
本発明の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
本発明の製造方法は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法であって、以下の工程を具備する：
複数の第１カップ状部材および複数の第２カップ状部材を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔を具備するパイプを形成する工程（ａ）、
ここで、
各第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
各第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
各第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
各第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
各第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第１カップ状部材の第１外面が隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に密着するように、各第１カップ状部材は前記隣接する一方の第２カップ状部材に挿入され、
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入され、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成され；そして
前記パイプの一端および他端にそれぞれ第１電極および第２電極を設け、パイプ形状の熱発電デバイスを形成する工程（ｂ）。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、新規なパイプ形状の熱発電デバイスを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本実施の形態によるパイプ形状の熱発電デバイスを示す。
【図２】図２は、パイプ形状の熱発電デバイスの部分分解図を示す。
【図３】図３は、１つの第１カップ状部材１１を示す。
【図４】図４は、１つの第２カップ状部材１２を示す。
【図５】図５は、図３に描かれたＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図６は、図４に描かれたＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】図７は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法における１工程を示す。
【図８】図８は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法における１工程を示す。
【図９】図９は、図８に示されるパイプ形状の熱発電デバイスの分解図である。
【図１０】図１０は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する他の方法における１工程を示す。
【図１１】図１１は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する他の方法における１工程を示す。
【図１２】図１２は、パイプ形状の熱発電デバイスを用いて発電する方法を示す。
【図１３】図１３は、図１２に示されるパイプ形状の熱発電デバイスの断面図を示す。
【図１４】図１４は、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に沿った断面図を示す。
【図１５】図１５は、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に直交する断面図を示す。
【図１６】図１６は、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に沿った断面図を示す。
【図１７】図１７は、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に直交する断面図を示す。
【図１８】図１８は、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に沿った断面図を示す。
【図１９】図１９は、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に沿った断面図を示す。
【図２０】図２０は、パイプ形状の熱発電体２００の軸方向に沿った断面図を示す。
【図２１】図２１は、パイプ形状の熱発電体２００の軸方向に直交する断面図を示す。
【図２２】図２２は、本実施の形態によるパイプ形状の熱発電デバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【０００９】
図１は、本実施の形態によるパイプ形状の熱発電デバイスを示す。
当該パイプ形状の熱発電デバイスは、内部貫通孔１８、複数の第１カップ状部材１１、複数の第２カップ状部材１２、第１電極１５、および第２電極１６を具備する。
【００１０】
内部貫通孔１８は、パイプ形状の熱発電デバイスの軸方向に沿って設けられている。当該軸方向は、図１に描かれた矢印によって指し示される方向である。
第１電極１５および第２電極１６は、それぞれ、パイプ形状の熱発電デバイスの一端および他端に配置されている。
【００１１】
各第１カップ状部材１１は金属からなる。当該金属の例は、ニッケル、コバルト、銅、アルミ、銀、金、またはこれらの合金である。ニッケル、コバルト、銅、またはアルミが好ましい。
【００１２】
各第２カップ状部材１２は熱電変換材料からなる。当該熱電変換材料の例は、Ｂｉ、Ｂｉ２Ｔｅ３、またはＰｂＴｅである。Ｂｉ２Ｔｅ３はＳｂまたはＳｅを含有し得る。
【００１３】
図２は、パイプ形状の熱発電デバイスの部分分解図を示す。図２に示されるように、３つの第１カップ状部材１１ａ〜１１ｃおよび３つの第２カップ状部材１２ａ〜１２ｃが、軸方向に沿って交互に繰り返し配置されている。各前記第１カップ状部材１１は同一の形状を有する。各前記第２カップ状部材１２も、同一の形状を有する。
【００１４】
図３は、１つの第１カップ状部材１１を示す。図３に示されるように、第１カップ状部材１１は、第１内面１１２および第１外面１１１を具備する。第１カップ状部材１１は、下端に第１貫通孔１１３を具備する。カップ状部材１１の上端は、開口を有している。第１カップ状部材１１の断面積は、その下端の方向に減少している。第１カップ状部材１１の形状と同様に、図４に示されるように、第２カップ状部材１２も、第２内面１２２、第２外面１２１、および第２貫通孔１２３を具備している。第２カップ状部材１２の断面積もまた、各第２カップ状部材１２の下端の方向に減少している。
【００１５】
図１〜図４から明らかなように、内部貫通孔１８は、複数の第１貫通孔１１３および複数の第２貫通孔１２３から構成される。
【００１６】
図２に示されるように、第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂが、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに密着するように、第１カップ状部材１１ｂは、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂに挿入される。
【００１７】
第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂが、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに密着するように、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａは、第１カップ状部材１１ｂに挿入される。
【００１８】
このように、１つの第１カップ状部材１１は、隣接する２つの第２カップ状部材１２に密着している。同様に、１つの第２カップ状部材１２もまた、隣接する２つの第１カップ状部材１１に密着している。
【００１９】
第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂは、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに接することが好ましい。これに代えて、第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂおよび隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂの間に供給されたハンダによって、これらの面が互いに密着し得る。
【００２０】
上記と同様に、第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂは、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに接することが好ましい。これに代えて、これらの面の間に供給されたハンダによって、これらの面が密着し得る。
【００２１】
第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の間に隙間はあってはならない。なぜなら、後述するように、内部貫通孔１８に流体が流される時に、隙間は熱電変換を阻害するからである。さらに、隙間から流体が漏れ出す。必要に応じて上記のようにハンダが隙間に充填され得る。
【００２２】
第１カップ状部材１１の数および第２カップ状部材１２の数の例は、１００個以上１０００個以下である。
【００２３】
図５は、図３に描かれたＡ−Ａ線断面図である。図６は、図４に描かれたＢ−Ｂ線断面図である。θ１およびθ２は、それぞれ、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の傾斜角度を表す。すなわち、θ１は、第１カップ状部材１１の断面積がその下端の方向に向けて減少している部分および第１カップ状部材１１の軸方向によって形成される角度を表す。同様に、θ２は、第２カップ状部材１２の断面積がその下端の方向に向けて減少している部分および第２カップ状部材１２の軸方向によって形成される角度を表す。θ１の値はθ２の値に等しい。θ１およびθ２の値は、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の材料に依存して適切に調整される。好ましいθ１およびθ２の値は５度以上４５度以下である。
【００２４】
内部貫通孔１８の断面形状は特に限定されない。パイプ形状の熱発電デバイスの断面形状も特に限定されない。
【００２５】
第１カップ状部材１１の断面形状が円である場合、図５に示されるｄｌ１およびｄｓ１は、それぞれ、第１カップ状部材１１の上端および下端の幅を表す。第１カップ状部材１１は高さｈ１および厚みＴ１を有する。図５の場合と同様に、図６に示されるｄｌ２、ｄｓ２、ｈ２、およびＴ２は、それぞれ、第２カップ状部材１２の上端の幅、下端の幅、高さ、および厚みを表す。
【００２６】
パイプ形状の熱発電デバイスの断面形状は限定されない。パイプ形状の熱発電デバイスの断面の例は、円形、楕円形、または多角形である。円形が好ましい。すなわち、パイプ形状の熱発電デバイスは円筒状であることが好ましい。
【００２７】
図７に示されるように、複数の第１カップ状部材１１および複数の第２カップ状部材１２は交互に繰り返し配置される。その後、図８および図９に示されるように、その一端および他端にそれぞれ第１電極１５および第２電極１６が接合され、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する。図９は図８の分解図である。
【００２８】
図８および図９に示される手順に代えて、以下のように第１電極１５および第２電極１６を接合し得る。図７の後、図１０に示されるように、その一端の一部および他端の一部をカットし、当該一端および他端を平坦にする。その後、図１１に示されるように、板状の第１電極１５および板状の第２電極１６をそれぞれ一端および他端に接合し、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する。
【００２９】
以下、パイプ形状の熱発電デバイスを用いて発電する方法を図１２〜図１３を参照しながら説明する。図１２は、パイプ形状の熱発電デバイスを用いて発電する方法の一例を示す。図１３は、図１２に示されるパイプ形状の熱発電デバイスの断面図を示す。
【００３０】
図１２に示されるように、パイプ形状の熱発電デバイス８１は、槽８２に貯められた冷たい流体８３に浸漬される。冷たい流体は水のような液体であることが好ましい。図１３に示されるように、内部貫通孔１８には、暖かい流体８４が流れる。暖かい流体８４は温水のような液体であることが好ましい。暖かい流体８４は、ポンプ８５により循環される。ポンプ８５およびパイプ形状の熱発電デバイス８１は、２本のシリコーン製のチューブ８６によって接続されている。このようにして、第１電極１５および第２電極１６との間に電圧差が生じる。図１２においては、第１電極１５および第２電極１６には２本の電線８７を介して負荷８８が電気的に接続されている。冷たい流体８３および暖かい流体８４の間の温度差は、好ましくは摂氏２０度以上摂氏８０度以下である。槽８２に暖かい流体を貯め、一方、ポンプ８５により冷たい流体を内部貫通孔１８に循環させ得る。
【００３１】
図１４および図１５に示されるように、パイプ形状の熱発電デバイス８１は、管状のジャケット９１の内部に挿入され得る。管状のジャケット９１およびパイプ形状の熱発電デバイス８１の間に冷たい流体８３が流され、暖かい流体８４が内部貫通孔１８に流される。これらの流体の流れに代えて、管状のジャケット９１およびパイプ形状の熱発電デバイス８１の間に暖かい流体が流され、冷たい流体が内部貫通孔１８に流され得る。ジャケット９１の材料の例は、ステンレス、アルミニウム、チタン、ハステロイ、またはインコネルである。
【００３２】
図１６および図１７に示されるように、内部貫通孔１８の周囲には絶縁性の内壁６１が配置され、流体に含有され得る酸、アルカリ、または塩分のような腐食性成分からパイプ形状の熱発電デバイス８１を保護することが好ましい。内壁６１の材料の例は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化シリコン、または窒化シリコンのような無機物、ポリイミド樹脂またはフッ素樹脂のような有機物である。絶縁体によって被覆された金属も用いられ得る。
【００３３】
上記と同様に、絶縁性の外壁７１がパイプ形状の熱発電デバイス８１の外面の周囲に配置されることが好ましい。外壁７１の材料の例は、内壁６１の材料と同じである。
【００３４】
図１８に示されるように、熱発電効率を高めるために、パイプ形状の熱発電デバイス８１の外面の周囲に外側突起７１が設けられ得る。第１突起７１は、第１カップ状部材１１または第２カップ状部材１２の外面に一体的に設けられ得る。
【００３５】
図１９に示されるように、熱発電効率を高めるために、内部貫通孔１８の周囲に内側突起７２が設けられ得る。内側突起７２は、第１カップ状部材１１または第２カップ状部材１２の内面に一体的に設けられ得る。
【００３６】
本発明においては、図２０および図２１に示されるように、複数のパイプ形状の熱発電デバイス８１が同時に用いられ得る。すなわち、パイプ形状の熱発電体２００が、複数のパイプ形状の熱発電デバイス８１を具備する。図２０および図２１においては、３本のパイプ形状の熱発電デバイス８１ａ〜８１ｃが用いられている。図２１に示されるように、第１パイプ形状の熱発電デバイス８１ａの断面積が最も小さく、第３パイプ形状の熱発電デバイス８１ｃの断面積が最も大きい。ここでは、用語「断面積」とは、パイプ形状の熱発電デバイス８１の軸方向に直交する断面積を意味する。第１パイプ形状の熱発電デバイス８１ａは第２パイプ形状の熱発電デバイス８１ｂの内部貫通孔１８に挿入されている。第１パイプ形状の熱発電デバイス８１ａの外面は、第１絶縁層１０１ａを介して、第２パイプ形状の熱発電デバイス８１ｂの内面に密着している。同様に、第２パイプ形状の熱発電デバイス８１ｂは第３パイプ形状の熱発電デバイス８１ｃの内部貫通孔１８に挿入されている。第２パイプ形状の熱発電デバイス８１ｂの外面は、第２絶縁層１０１ｂを介して、第３パイプ形状の熱発電デバイス８１ｃの内面に密着している。
【００３７】
図２０に示されるように、第１パイプ形状の熱発電デバイス８１ａの第２電極１６ａは、第２パイプ形状の熱発電デバイス８１ｂの第２電極１６ｂに電気的に接続されている。第２パイプ形状の熱発電デバイス８１ａの第１電極１５ｂは、第３パイプ形状の熱発電デバイス８１ｃの第１電極１５ｃに電気的に接続されている。２本の電線８７（図１２参照）は、第１パイプ形状の熱発電デバイス８１ａの第１電極１５ａおよび第３パイプ形状の熱発電デバイス８１cの第２電極１６ｃに接続されている。すなわち、これら３つのパイプ形状の熱発電デバイス８１ａ〜８１ｃは、電気的に直列に接続されている。
【００３８】
直列的な接続に代えて、複数のパイプ形状の熱発電デバイス８１は並列に接続され得る。
【００３９】
図２０および図２１に示される実施形態を、以下、一般化する。数字ｎは２以上の自然数を表す。第１の（１番目の）パイプ形状の熱発電デバイス８１ａの断面積が最も小さい。ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１ｎの断面積が最も大きい。（ｎ−１）番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の外面は、（ｎ−１）番目の絶縁層１０１を介して、ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の内面に密着されている。
【００４０】
ｎ本のパイプ形状の熱発電デバイス８１が電気的に並列に接続される場合、各第１電極１５は互いに電気的に接続される。各第２電極１６もまた、互いに電気的に接続される。
【００４１】
ｎ本のパイプ形状の熱発電デバイス８１が直列に接続されるケースを以下、説明する。
【００４２】
ｎが３以上の奇数である場合、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、（２ｍ−５）番目、・・・および１番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第２電極１６は、（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ―４）番目、・・・および２番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第２電極１６に電気的にそれぞれ接続されている。ここで、ｍの値は式：ｍ＝（ｎ−１）／２により定義される。（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・および２番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第１電極１５が、（２ｍ＋１）番目、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、・・・、および３番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第１電極１５に電気的にそれぞれ接続されている。
【００４３】
ｎが偶数である場合、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、（２ｍ−５）番目、・・・１番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第２電極１６は、（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・２番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第２電極１６に電気的にそれぞれ接続されている。ここで、ｍの値は式：ｍ＝ｎ／２により定義される。ｎが４以上である場合、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・２番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第１電極１５が、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、・・・３番目のパイプ形状の熱発電デバイス８１の第１電極１５に電気的に接続される。
【００４４】
図２２に示されるように、パイプ形状の熱発電デバイス８１には、軸方向に沿って溝１９が形成され得る。溝１９は中空であり得るが、溝１９には必要に応じて絶縁体が充填され得る。溝１９の角度θ３は１度以上１０度以下が好ましい。
【００４５】
（実施例）
以下の実施例に言及しながら、本発明をさらにより詳細に説明する。
【００４６】
（実施例１Ａ）
以下の表１に従って、図９に示されるパイプ形状の熱発電デバイス８１を得た。
【００４７】
【表１】
2012014366.tif 000003
【００４８】
パイプ形状の熱発電デバイス８１の各端部はナットにより締め付けられた。当該ナットおよび第１電極１５の間にはインコネル製のバネが挿入された。パイプ形状の熱発電デバイス８１は当該バネにより軸方向に圧縮されながら、管状の炉の中に入れられた。パイプ形状の熱発電デバイス８１は５００℃で２時間、加熱された。
【００４９】
加熱後、パイプ形状の熱発電デバイス８１を室温まで冷却した。このようにして、７ミリメートルの外径、４ミリメートルの内径、および７００ミリメートルの長さを有するパイプ形状の熱発電デバイス８１を得た。
【００５０】
図１２に示されるように、得られたパイプ形状の熱発電デバイス８１を２０℃の温度を有する冷水８３に浸漬した。内部貫通孔１８に流量１０リットル／分で８０℃の温度を有する温水８４を循環させた。結果を表２に示す。
【００５１】
最大発電電力は、以下の式により算出された。
最大発電電力の値＝（（電極間の開放電圧）／２）２／（電極間の電気抵抗値）
ここで、開放電圧は、温度差を印加し、かつ電流を流さない状態で電極間に生じる電圧である。
電気抵抗値は、以下のように求められる。
まず、温度差を印加しない状態で電極間に定電流が流され、電極間に生じる電圧を測定する。
次に、測定された電圧が当該定電流の値で除算され、電気抵抗値を算出する。
【００５２】
（実施例１Ｂ〜１Ｅ）
θ１＝θ２＝５、１０、３０、または４５としたこと以外は、実施例１Ａと同一の実験を行った。
【００５３】
【表２】
2012014366.tif 000004
【００５４】
（実施例２Ａ〜２Ｉ）
Ｔ１：Ｔ２の比を表３に示すように変化させたこと以外は、実施例１Ａと同一の実験を行った。
【００５５】
【表３】
2012014366.tif 000005
【００５６】
（実施例３Ａ）
以下の表４に従って、実施例１Ａの場合と同様に、図１９に示されるような９００ミリメートルの長さを有するパイプ形状の熱発電デバイス８１を得た。結果を表５に示す。
【００５７】
【表４】
2012014366.tif 000006
【００５８】
（実施例３Ｂ〜３Ｅ）
θ１＝θ２＝５、１０、３０、または４５としたこと以外は、実施例３Ａと同一の実験を行った。
【００５９】
【表５】
2012014366.tif 000007
【００６０】
（実施例４Ａ〜４Ｉ）
Ｔ１：Ｔ２の比を表６に示すように変化させたこと以外は、実施例３Ａと同一の実験を行った。
【００６１】
【表６】
2012014366.tif 000008
【００６２】
（実施例５Ａ）
以下の表７に従って、実施例１Ａの場合と同様に、図９に示されるパイプ形状の熱発電デバイス８１を得た。結果を表８に示す。
【００６３】
【表７】
2012014366.tif 000009
【００６４】
（実施例５Ｂ〜５Ｅ）
θ１＝θ２＝５、１０、３０、または４５としたこと以外は、実施例５Ａと同一の実験を行った。
【００６５】
【表８】
2012014366.tif 000010
【００６６】
（実施例６Ａ〜６Ｉ）
Ｔ１：Ｔ２の比を表９に示すように変化させたこと以外は、実施例５Ａと同一の実験を行った。
【００６７】
【表９】
2012014366.tif 000011
【００６８】
（実施例７Ａ）
以下の表１０に従って、実施例１Ａの場合と同様に、図９に示される３００ミリメートルの長さを有するパイプ形状の熱発電デバイス８１を得た。結果を表１１に示す。
【００６９】
【表１０】
2012014366.tif 000012
【００７０】
（実施例７Ｂ〜７Ｅ）
θ１＝θ２＝５、１０、３０、または４５としたこと以外は、実施例７Ａと同一の実験を行った。
【００７１】
【表１１】
2012014366.tif 000013
【００７２】
（実施例８Ａ〜８Ｉ）
Ｔ１：Ｔ２の比を表１２に示すように変化させたこと以外は、実施例７Ａと同一の実験を行った。表１２は結果を示す。
【００７３】
【表１２】
2012014366.tif 000014
【００７４】
（実施例９Ａ）
以下の表１３に従って、実施例１Ａの場合と同様に、図９に示される３００ミリメートルの長さを有するパイプ形状の熱発電デバイス８１を得た。結果を表１４に示す。
【００７５】
【表１３】
2012014366.tif 000015
【００７６】
（実施例９Ｂ〜９Ｅ）
θ１＝θ２＝５、１０、３０、または４５としたこと以外は、実施例９Ａと同一の実験を行った。
【００７７】
【表１４】
2012014366.tif 000016
【００７８】
（実施例１０Ａ〜１０Ｉ）
Ｔ１：Ｔ２の比を表１５に示すように変化させたこと以外は、実施例９Ａと同一の実験を行った。表１５は結果を示す。
【００７９】
【表１５】
2012014366.tif 000017
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、新規なパイプ形状の熱発電デバイスを提供する。
【図１】
2012014366.tif 000018
【図２】
2012014366.tif 000019
【図３】
2012014366.tif 000020
【図４】
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【図５】
2012014366.tif 000022
【図６】
2012014366.tif 000023
【図７】
2012014366.tif 000024
【図８】
2012014366.tif 000025
【図９】
2012014366.tif 000026
【図１０】
2012014366.tif 000027
【図１１】
2012014366.tif 000028
【図１２】
2012014366.tif 000029
【図１３】
2012014366.tif 000030
【図１４】
2012014366.tif 000031
【図１５】
2012014366.tif 000032
【図１６】
2012014366.tif 000033
【図１７】
2012014366.tif 000034
【図１８】
2012014366.tif 000035
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年6月27日(2012.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ形状の熱発電デバイスであって、以下を具備する：
前記パイプ形状の熱発電デバイスの軸方向に沿った内部貫通孔；
金属からなる複数の第１カップ状部材；
熱電変換材料からなる複数の第２カップ状部材；
第１電極；および
第２電極、
ここで、
前記複数の第１カップ状部材および前記複数の第２カップ状部材は、前記軸方向に沿って交互に繰り返し配置されており、
前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ、前記パイプ形状の熱発電デバイスの一端および他端に設けられており、
各第１カップ状部材は、円錐台の形状、楕円錐台の形状、または角錐台の形状を有しており、
各第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
前記第１内面は、円錐台の周面の形状、楕円錐台の周面の形状、または角錐台の周面の形状を有しており、
前記第１外面は、円錐台の周面の形状、楕円錐台の周面の形状、または角錐台の周面の形状を有しており、
各第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
各第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
各第２カップ状部材は、円錐台の形状、楕円錐台の形状、または角錐台の形状を有しており、
各第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
前記第２内面は、円錐台の周面の形状、楕円錐台の周面の形状、または角錐台の周面の形状を有しており、
前記第２外面は、円錐台の周面の形状、楕円錐台の周面の形状、または角錐台の周面の形状を有しており、
各第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
各第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成されており、
各第１カップ状部材の第１外面が、隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に密着するように、各第１カップ状部材は前記隣接する一方の第２カップ状部材に挿入されており、そして
各第１カップ状部材の第１内面が、隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入されており、
前記金属は、ニッケル、コバルト、銅、アルミ、銀、金、またはこれらの合金であり、
前記熱電変換材料は、Ｂｉ、Ｂｉ2Ｔｅ3、ＰｂＴｅ、あるいは、ＳｂまたはＳｅを含有するＢｉ2Ｔｅ3であり、
以下の数式が充足される：
５度≦θ１≦４５度
５度≦θ２≦４５度、および
θ１＝θ２
ここで、
θ１は、前記第１カップ状部材の断面積が減少している部分および前記第１カップ状部材の軸方向によって形成される角度を表し、そして
θ２は、前記第２カップ状部材の断面積が減少している部分および前記第２カップ状部材の軸方向によって形成される角度を表す。
【請求項２】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記金属は、ニッケル、コバルト、銅、またはアルミである。
【請求項３】
請求項１の熱発電デバイスであって、
各第１カップ状部材の第１外面は、前記隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に接しており、そして
各第１カップ状部材の第１内面は、前記隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に接している。
【請求項４】
請求項１の熱発電デバイスであって、
各第１カップ状部材の第１外面および前記隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面の間にハンダが供給されており、そして
各第１カップ状部材の第１内面および前記隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面の間にハンダが供給されている。
【請求項５】
請求項１の熱発電デバイスであって、さらに管状のジャケットを具備し、
前記パイプ形状の熱発電デバイスは、前記管状のジャケットの内部に挿入される。
【請求項６】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記内部貫通孔の周囲には絶縁性の内壁が配置されている。
【請求項７】
請求項１の熱発電デバイスであって、
前記パイプ形状の熱発電デバイスの周囲には絶縁性の外壁が配置されている。
【請求項８】
複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスを具備する熱発電体であって、ここで
ｎは２以上の自然数であり、
各パイプ形状の熱発電デバイスは、請求項１の熱発電デバイスであって、
第１のパイプ形状の熱発電デバイスの断面積が最も小さく、
ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの断面積が最も大きく、そして
（ｎ−１）番目のパイプ形状の熱発電デバイスの外面は、絶縁層を介して、ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの内面に密着されている。
【請求項９】
請求項８の熱発電体であって、ここで
各第１電極は互いに電気的に接続され、
各第２電極は互いに電気的に接続され、そして
前記複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスが電気的に並列に接続されている。
【請求項１０】
請求項８の熱発電体であって、
（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、（２ｍ−５）番目、・・・および１番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極は、（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ―４）番目、・・・および２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極に電気的にそれぞれ接続されており、
ｎは３以上の奇数であり、
ｍの値は式：ｍ＝（ｎ−１）／２により定義され、
（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・および２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極が、（２ｍ＋１）番目、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、・・・、および３番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極に電気的にそれぞれ接続されており、そして
前記複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスが電気的に直列に接続されている。
【請求項１１】
請求項８の熱発電体であって、
（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、（２ｍ−５）番目、・・・１番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極は、（２ｍ）番目、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第２電極に電気的にそれぞれ接続されており、
ここで、ｎは偶数であり、
ｍの値は式：ｍ＝ｎ／２により定義され、
ｎが４以上である場合、（２ｍ−２）番目、（２ｍ−４）番目、・・・２番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極が、（２ｍ−１）番目、（２ｍ−３）番目、・・・３番目のパイプ形状の熱発電デバイスの第１電極に電気的に接続されており、そして
前記複数のｎ本のパイプ形状の熱発電デバイスが電気的に直列に接続されている。
【請求項１２】
請求項１の熱発電デバイスであって、
軸方向に沿って溝が形成されている。
【請求項１３】
パイプ形状の熱発電デバイスを用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１に記載のパイプ形状の熱発電デバイスを用意する工程（ａ）；および
前記内部貫通孔およびパイプ形状の熱発電デバイスの外面の間に温度差を印加して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項１４】
熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項９に記載の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項１５】
熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１０に記載の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第１電極および前記ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【請求項１６】
熱発電体を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
請求項１１に記載の熱発電体を用意する工程（ａ）、および
前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの内部貫通孔および熱発電体の外表面の間に温度差を印加して、前記第１のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第１電極および前記ｎ番目のパイプ形状の熱発電デバイスの前記第２電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。
【国際調査報告】
2012014366.tif 000040
2012014366.tif 000041
2012014366.tif 000042